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随着数字时代的来临，图形渲染需求越来越大，GPU的作用日渐凸显，不管是桌面应用、游戏、电影、数字孪生还是元宇宙，都依赖于图形处理器GPU做重要的技术支撑。GPU的核心竞争力体现在什么方面？主要是两大核心要素：性能先进性、计算生态壁垒，其中，架构创新对于性能的提升具有重要意义。
近年来，在芯片技术“自主可控”的背景下，GPU已经成为热门的创业赛道。不过，自主可控可以从两大维度来看待：一种是购买第三方IP架构自研GPU内核；一种是GPU的IP架构、内核都是自研。显然，只有真正着手于底层的架构和内核自研，才能在知识产权和技术迭代上占有主动权。
国产GPU架构“天狼星”出世
日前，一款国产GPU自主架构在京发布，是由中天恒星科技有限公司（Advanced Technology Stellar，简称中天恒星/ATS）自主研发的“天狼星”架构。“天狼星”主要有三大技术优势：
第一、面向亿级订单市场，以独立显卡GPU芯片主流产品为突破口，瞄准需求广阔、增长强劲的亿级刚需市场，突出性价比优势；
第二、拥有完全自主知识产权，以清华大学超过10年研究基础为依托的自研核心架构，确保产品迭代自主可控。以基础理论研究为基础，从数学公式推导开始，从架构设计、算法模型、原理验证、硬件实现、驱动开发等环节全部正向设计。核心架构完整知识产权，已申请专利和著作权数百项，数十项已获授权；相关研究成果发表于ISCA、Micro、IEEE TPDS、IEEE TCAD等顶级会议和期刊；
第三、完备的交付能力，上下游产业链准备充分，确保产品量产自主可控；芯片设计完成全面验证，确保流片成功；软硬件接口符合国际标准，确保芯片装机即可使用，包括操作系统认证：Windows WHQL；API认证：Open GL Conformance Test；外围接口认证：HDMI DP CTS；专业测试认证：PHY layer和LIINK layer；质量体系认证：显卡3C认证（中国）、 日本VCCI 、欧盟CE、 美国FCC。
“天狼星”GPU架构主要亮点包括：
一是具有3D图形引擎+2D图形加速+视频引擎。
二是自主可控/灵活优化的指令集和VLIW/SIMD机器指令集(ICCD’13)；其中，自主可控/灵活优化的指令集，保证GPU芯片迭代的软件兼容。
三是SIMT计算框架，充分利用图形应用的数据并行性( DATE’12.ICCD'13,TVLSI15)。
四是支持物理真实渲染(ACMComputingSurvey’14，SIGGRAPHASIA'14.15)。
五是Shader Core(Graphics ProcessingCluster)，包括SIMT独立指令执行单元、以32位浮点ALU为基础的统一图形架构(ICCD13)以及集成寄存器堆、纹理/数据缓存。
六是延迟聚集式全局线程调度技术(ISCA20、TPDS21、TCAD'21)。
七是具有良好性能伸缩性的片上互联架构(MICRO'20、TPDS’21)。
据了解，中天恒星研发团队由卡内基梅隆大学电子与计算机工程博士、清华大学软件学院、微电子学研究所副教授、NVIDIA合作教授邓仰东博士率领，是中天恒星联合创始人兼总架构师。据介绍，他是GPU通用计算最早的研究人员之一，长期从事图形处理器体系结构、并行计算研究和芯片产品开发工作；曾设计出全球第一个基于FPGA的GPU仿真平台；研究成果在ISCA、MICRO、等顶级会议和期刊发表。邓仰东博士撰写了多部教材和专著，其中《数字集成系统的结构化设计与高层次综合》入选清华大学及多所大学研究生教材，《异构处理器OpenCL编程导论》是国内GPU异构计算第一部教材，《3-Dimensional VLSI》是三维集成电路的第一部专著。
“从0到完整架构的实现，都是自主技术”
“天狼星”架构的问世，对打破国外GPU架构的垄断具有重要意义。
当前，Imagination和Vivante两家公司是国内GPU产品主要IP来源。中天恒星认为，这些IP主要是针对移动应用的GPU内核，不适合桌面应用。此外，购买第三方的IP，难以形成成熟的图形显卡级GPU，核心电路专利无法自控和自主迭代。
不过，自研GPU架构存在极高的门槛，关键挑战有哪些？邓仰东指出：“GPU设计有几个地方非常复杂：一个是架构级的设计，这其实是个统筹的艺术。GPU本身的资源，在所谓的uni版的shader，所有的计算资源是一样的，大家都用32比特或者64比特的浮点运算单元，这是一个配合的问题。有很多核共享L2的cash，然后每个核内有自身的计算单元，还有通往片外的各种通道，实际上片上还有一些针对图形的，比如像纹理的缓存；这些虽然很容易知道是什么样的模块，难的是如何配合起来实现整体性能最优。换言之，如何通过统筹协调，能够适应绝大多数图形应用。在大多数情况下，均衡的设计保持性能每秒至少30帧，这是一个极具挑战的地方。二是，架构仿真的时间非常长，需要经验也需要直觉，去找出架构问题到底出在哪里。这方面也是一个很大的挑战，需要有多年的积累才能去做这件事。”
“很多国产的GPU的IP授权主要购买的第三方。中天恒星的路线有所不同，核心的图形引擎完全自主设计的，所以3D图形引擎这块不涉及到别人的知识产权，也没有IP的问题，全部是我们自己拥有，从0到完整架构的实现，都是我们自主的技术。”邓仰东指出。
为何押注图形渲染GPU？
GPU主要有图形渲染和计算处理两大功能，而中天恒星主要聚焦于图形渲染。对此，邓仰东表示，用于渲染的GPU才是市场主流，占到整个GPU市场的80%以上。从二者的市场规模来看也是如此，如2021年全球服务器出货量1300万台，而PC出货量3.5亿台左右。一般来说，算力GPU搭载在服务器中，而每一台PC都会搭载一块显卡，所以从这个意义上来讲，渲染GPU也是主流。
邓仰东强调，还要关注一个更大的可能性——大屏电视目前已经非常普及，与大屏电视的交互非常有前景，典型应用如游戏等，对GPU将产生更多需求。
此外，从GPU渲染标准的发展来看，主要是由三大图形和计算标准界定的，一是OpenGL，由国际标准化组织1997年推出，之后从2007年开始，OpenGL连出三版，基本上界定了整个图形渲染要完成的工作。二是微软的Direct X，是专门针对Windows环境的图形标准。三是OpenCL，最初是针对图形的纯计算能力，后来延伸到通用计算。
“这三大标准都在2007-2017年经历了黄金时代，到2017年基本固化。也就是说今天的图形标准仍然是2007年主要的图形显示内容，2007年之后，基本上图形标准没有很大变化，GPU要做的刚需工作基本没有变化。这里就有一个赶上NVIDIA图形渲染GPU设计的可能性。”邓仰东表示。
两代GPU架构发展脉络和规划
邓仰东在介绍“天狼星”架构的研发过程时提到，前期的研究工作主要在清华大学进行，从2007年开始，包括并行计算、虚拟指令集的设计、GPU的加速仿真、GPU的核心模块设计等等。之后，为了提高仿真速度，他们把传统软件仿真搬到FPGA平台上，2013年，在FPGA平台上仿真出了整个GPU架构，实现了快速迭代。此后，又进行了光线追踪算法/硬件、片上调度、片上通信网络等研究工作。最后，在这些工作基础上，发展出了中天恒星的GPU架构。
据了解，第一代GPU架构取名为“天狼星”有着独特的寓意。中天恒星创始人黄永博士解释说：“我们的架构全部是以恒星来命名的。Stellar是恒星、星宿的意思，引申出来有“超一流”、“卓越”的含义。第一代叫‘天狼星’，是夜空中肉眼可见的最亮的恒星。第二代架构命名为‘大角星’，它是第二亮的恒星。只是因为距离地球更远，所以看起来没有天狼星亮；实际上，大角星比天狼星更亮，其亮度是太阳的110倍。
据悉，中天恒星两代GPU架构的发展规划主要是：第一代“天狼星”架构于2019年完成验证，2021年诞生，2023年，第一代“天狼星”架构GPU实现量产。2024年，继续优化基于“天狼星”架构的GPU。第二代GPU架构“大角星”于2022年定义，2025年，将量产第二代“大角星”架构的GPU。
业界看好国产GPU显卡前景
GPU架构“天狼星”得到行业专家的高度认可和好评。
对于天狼星架构，国际信息显示学会中国总裁、fellow、俄罗斯工程院外籍院士、国际信息显示学会北京分会理事长严群博士指出：“现在所有显示器都可以称为被动式显示技术，观看的人对它的信息传输只有接收，没有互动，一旦显示屏加上很多GPU功能，有了沉浸式三维影像呈现、交互体验，那就不是传统的电视了，现在没有人看电视了，特别是年轻人很少有人看电视，这个体验已经被手机端、PAD端等便携设备全部替代了，没有必要看那么大的电视。但是一旦需要有交互体验的时候，我们就会重新回到大屏，重新回到这些有渲染的、真实的、你可以融入其中的体验，这种体验非常不得了。”
严群博士表示，现在ChatGPT很火，而人工智能还是处于幼儿园、小学阶段，但这已经很“可怕”了。如果有了交互，以后灵魂是在数据里了，这个时候抓取的大数据，不是Chat生成式了，而是交互式GPT。这个时候大数据经过人工智能的学习以后，会远远超过人类的智力和能力，这是真正元宇宙的目标。
上海市集成电路行业协会秘书长郭奕武认为：“现在正好是非常好的关口，即产业革命和新技术革命的兴起，大家也看到包括云计算、数字化、智能汽车、云端到边缘等等，这些产业化以后，都需要大算力，也就是我们所说的GPU。所以我们赶上的时机非常好，未来随着新的技术产业革命的发展，这个方面的空间是非常大的。”
“中天恒星自研架构，有这几个特点：一是3D图形渲染。二是指令集的自主可控，这是非常不容易的。三是它的框架结构，包括在整个储存器当中的DDR4实现高速存储，这个设计也是比较领先的架构，中天恒星都用上了，这决定了未来的产品用途非常广泛。中天恒星的切入点在显示领域，我觉得显示领域非常广阔，我相信在黄总的带领下，中天恒星一定会从架构到产品，最后能够使我们的产品在全球落地。”郭奕武指出。
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